Проектирование устройства передачи данных по радиоканалу

Содержание Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор способов кодирования-декодирования информации

1.2 Сравнительный анализ способов кодирования декодирования информации

1.3 Анализ аппаратной реализации

1.4 Сравнительный анализ способов аппаратной реализации

1.5 Выводы по аналитическому обзору

2. Разработка структурной схемы

3. Синтез схемы электрической принципиальной

3.1 Выбор цифрового сигнального процессора

3.2 Выбор кодека

3.3 Выбор драйвера интерфейса RS — 232

3.4 Выбор памяти с ультрафиолетовым стиранием

3.5 Выбор вспомагательных элементов схемы

4. Разработка алгоритма программы

4.1 Блок инициализации

4.2 Интерфейс приема / передачи

5. Разработка программного обеспечения

6. Технико-экономический расчет

7. Охрана труда Приложение

Введение

Необходимость приёма и передачи информации беспокоило человечество всегда. В современном, насыщеном компьютерной техникой мире, это получило наиболее широкое распространение. Возможность соединения нескольких компьютеров, находящихся на расстоянии позволяющим соединить их эл. проводом, и доступ к их данным, добавила качественно новую ступень к использованию возможностей современных ЭВМ. Такое соединение называется локальной сетью. Также после этого появилось и понятие глобальной сети, при этом компьютеры могут не находиться рядом, а допустим в разных городах. При таком соединении используется специальное устройство называемое «модем». Связь при этом обеспечивается по телефонной линии.

Модем — это сокращение от МОдулятор — ДЕМодулятор.

Также еще существует способ приёма и передачи информации между компьютерами по радиоканалу. В этом случае также используется устройство модуляции/демодуляции (модем). При этом с компьютером и модемом используется также отдельное устройство — блок приёма и передачи информации по радиоканалу. Это достаточно громоздкое устройство и каждый пользователь ЭВМ, конечно, не может себе его приобрести. Но такая комбинация технических средств очень эффективна при связи двух объектов находящихся на очень большом расстоянии и не обладающими доступом к телефонной линии. Например, это могут быть судно, находящееся в рейсе и порт приписки передающий информацию со спутника о надвигающейся буре.

Конечно, модем в этом случае будет по функциям отличаться от модема работающего с телефонной линией. Т.к. тут нет понятия дозвона до абонента, дуплексная связь также здесь не допустима. В принципе функции дозвона и другие берет на себе блок приёма и передачи информации по радиоканалу. Модем же только ожидает получение сигнала, производит его демодуляцию, образуя цифровой код, и передает его в компьютер. При передаче, модем принимает цифровой код, модулирует его, преобразует в аналоговый сигнал и передает в блок передачи информации по радиоканалу.

В наше время технология производства интегральных микросхем, микроконтроллеров и т. п. находится на очень высоком уровне, постоянно совершенствуется и изобретает все новые виды микрочипов. Одним из таких микрочипов является DSP — digital signal processor (цифровой сигнальный процессор). Это идеальное средство для обработки сигналов. Имея встроенный язык программирования, он позволяет его настраивать на любую работу необходимую электронщику. Практически во всех современных модемах независимо от назначения установленны DSP.

В данном дипломном проекте мы будем проектировать устройство, которое будет принимать и передавать данные по радиоканалу, при этом выполняя кодирование и декодирование информации, используя цифровой сигнальный процессор (DSP).

1. Аналитический обзор

1.1 Обзор способов кодирования — декодирования информации Для выбора необходимого пути проектирования устройства требуется провести анализ современных способов и средств кодирования-декодирования информации.

С начала рассмотрим способы решения кодирования-декодирования информации. Для этого рассмотрим современные способы модуляции — демодуляции сигнала.

Как сказано выше модемы модулируют сигнал для передачи по телефонным или радио каналам, но сигнал может быть промодулирован разными способами.

Модуляция — изменение одного или нескольких параметров несущего синусоидального колебания (амплитуды, частоты, фазы) в соответствии со значениями двоичной информации, передаваемой источником.

В модемах используется разновидность модуляции, так называемая «манипуляция», при которой указанные модулируемые параметры могут иметь только фиксированные значения из некоторого определенного набора.

Модуляция позволяет согласовать спектр передаваемого информационного сигнала с полосой пропускания телефонного или радио канала. При малых скоростях передачи (до 1200 бит/с) в модемах применяется частотная модуляция, реализация которой на таких скоростях наиболее проста. При средних скоростях передачи (1200 — 4800 бит/с) используется дифференциальная разностная модуляция с числом возможных изменений фазовых положений от двух (1200 бит/с) до восьми (4800 бит/с) (фазовая модуляция). Передаваемые значения цифровой информации содержатся в приращениях фазы между данным и предыдущим элементом модулированного сигнала. При больших скоростях передачи (>4800 бит/с) и при передаче по коммутируемым каналам с частотным разделением направлений передачи, начиная с 2400 бит/с, используется комбинированная амплитудно-фазовая модуляция). При использовании этого вида модуляции цифровая информация содержится как в значении амплитуды, так и в приращениях фазы несущей частоты. При амплитудно-фазовой и многопозиционной фазовой модуляциях количество возможных позиций модулированного сигнала (или количество векторов сигнала) более двух. В этом случае один элемент модулированного сигнала содержит несколько битов цифровой информации (это число равно двоичному логарифму от количества возможных векторов модулированного сигнала).

Фазовая модуляция:

При использовании так называемой относительная фазовая манипуляция (phase shift keying, PSK), т. е. модуляция, при которой фаза несущей принимает только фиксированные значения из ряда допустимых значений (например, 0, 90, 180 и 270 град.), а информация закладывается в изменения фазы несущего колебания. При указанном выше наборе возможных фаз каждому изменению фазы соответствует определенное значение дибита, т. е. двух последовательных битов информации. Фазовая манипуляция относится к двухполосным методам модуляции, т. е. спектр модулированного сигнала располагается симметрично относительно несущей частоты, а ширина спектра в Гц на уровне 0,5 от его значения на несущей частоте равна модуляционной линейной скорости, выраженной в Бодах. Наиболее часто используются в модемах такие разновидности фазовой манипуляции, как относительная фазовая манипуляция (ОФМ) /скорость 1200 бит/с, два положения фазы/, четырехпозиционная (или квадратурная фазовая манипуляция /2400 бит/с, четыре положения фазы/) и восьмипозиционная (4800 бит/с, восемь положений фазы). Иногда в литературе указанные виды манипуляции называются соответственно ФРМ (фазоразностная модуляция), ДОФМ (двухкратная фазовая модуляция) и ТОФМ (трехкратная фазовая модуляция). Дальнейшее увеличение числа позиций с целью повышения скорости приводит к резкому снижению помехоустойчивости, поэтому на более высоких скоростях стали применяться комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции .

Амплитудно — фазовая модуляция :

В данном виде модуляции для повышения пропускной способности используется одновременная манипуляция двух параметров несущего колебания: амплитуды и фазы. Каждый возможный элемент модулированного сигнала (вектор сигнала или точка сигнального пространства) характеризуется значением амплитуды и фазы.

Для дальнейшего повышения скорости передачи количество «точек» пространства модулированного сигнала увеличивается в число раз, кратное двум. В настоящее время в модемах используются методы амплитудно-фазовой модуляции с числом возможных позиций сигнала до 256. Это означает, что скорость передачи информации превышает модуляционную линейную скорость до 7 раз.

Для обеспечения максимальной помехоустойчивости точки сигнального пространства размещаются на равном расстоянии с огибающей всех точек в форме квадрата (16-ти позиционная квадратурная АМ), восьмиугольника и т. п. Увеличение числа позиций сигнала приводит к быстрому снижению помехо-устойчивости приема.

Радикальным средством обеспечения помехоустойчивой передачи стало применение сочетания модуляции с «решетчатым» кодированием. При использовании этого метода вводится некоторая избыточность в пространство сигналов и за счет этого создаются корреляционные связи между передаваемыми сим-волами. Благодаря этому на приеме на основе анализа последо-вательности принятых элементов модулированного сигнала возможно выявление и исправление ошибок. Практически это дает значительное повышение помехоустойчивости приема.

Разновидность амплитудно-фазовой модуляции — 16-ти позиционная квадратурная АМ (сигнальное пространство 4×4 точек в форме квадрата, точки равноудалены одна от другой, и по 4 точки в каждом квадрате) используется в дуплексных модемах.

Частотная модуляция: (Frequency shift keying, FSK)

В модемах используется так называемая частотная манипуляция, при которой каждому значению бита информации («1» и «0») соответствует определенная частота синусоидального сигнала.

Спектральные характеристики сигналов с частотной манипуляцией допускают относительно простую реализацию модемов до скоростей 1200 бит/с.

Модуляция с минимальным сдвигом (MSK)

MSK — это продолжение частотной модуляции, при которой разница частот «1» и «0» по модулю всегда равны половине скорости передачи данных. Т. е. индекс модуляции m=0.5, определяется следующим образом:

Например: если скорость передачи данных 1200 бит/сек, то частота «1» 1200Hz, а частота «0» 1800Hz. См. рис. 1.1.1

Рис. 1.1.1 а) Цифровые данные b) MSK сигнал Рис. 1.1.2 MSK модулятор Гауссова модуляция с минимальным сдвигом (GMSK)

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) — гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом.

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется «гауссовской» потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот Рисунок 1.3. — Структурная схема GMSK — модуляции Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ — 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т — длительность одного бита цифрового сообщения.

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:

* постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

* компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;

* хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Импульсно — кодовая модуляция:

Наряду с использованием аналоговых (АМ) можно использовать импульсные методы модуляции, в частности, амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), что позволяет улучшить энергетические характеристики процесса передачи в целом, если учесть, что длительность излучаемого импульса может быть мала по сравнению с периодом несущей. Импульсные методы модуляции основаны на процессе дискретизации передаваемого аналогового сигнала, т. е. использовании последовательности выборок (выборочных значений) аналогового сигнала, взятых периодически с частотой дискретизации fд. Она выбирается из условия возможности последующего восстановления аналогового сигнала без искажений из дискретизированного сигнала с помощью фильтра нижних частот.

Следующим логичным шагом может быть квантование амплитуд импульсных выборок — процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового значения). Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при импульсно-кодовой модуляции. Они позволяют перейти от аналогового представления речевого сигнала к цифровому.

Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (закодировано) в виде 7 или 8 битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП двоичное кодирование осуществляется непосредственно при квантовании). Такое кодирование (часто называемое кодификацией дает возможность передать 128 или 256 дискретных уровней амплитуды речевого сигнала, обеспечивая качественную передачу речи формально с динамическим диапазоном порядка 42 или 48 дБ. Учитывая, что выборки должны передаваться последовательно, получаем двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кгц х 7 бит) в случае 7 битного кодирования или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит) в случае 8 битного кодирования.

Использование ИКМ в качестве метода передачи данных позволяет:

Для систем цифровой телефонии — ликвидировать недостатки присущие аналоговым методам передачи, а именно:

*убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;

*практически убрать посторонние шумы;

*улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон речи.

Перспективные способы модуляции:

OCDM-модуляция :

В широкополосных сигналах, получаемых мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным кодовым уплотнением (Orthogonal Code Division Multiplex — OCDM), используется одновременно несколько широкополосных каналов на одной частоте. Каналы разделяются за счет применения ортогональных PN-кодов. Фирма Sharp анонсировала 10-мегабитный модем, построенный по этой технологии. Фактически одновременно передаются 16 каналов с 16-чиповыми ортогональными кодами. В каждом канале применяется BPSK, затем каналы суммируются аналоговым методом. Вследствие суммирования независимых каналов возникает довольно сильная паразитная AM, что требует использования линейного усилителя мощности и вызывает большее потребление энергии.

Data Mux — мультиплексор входных данных

BPSK — блок фазовой модуляции

Spread — блок расширения спектра методом прямой после-довательности; Sum — выходной сумматор Рисунок 1.4 — Схема OCDM модуляции (16 Spread-каналов по 0,68 кбит/с = 10 Мбит/с)

OFDM-модуляция Широкополосные сигналы, получаемые мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным частотным уплотнением (Оrthogonal Frequency Division Multiplex — OFDM), представляют собой одновременную передачу на разных несущих частотах сигналов с фазовой модуляцией. Одним из ее преимуществ является высокая устойчивость к провалам в спектре, возникающим вследствие многолучевого затухания. Модуляция обеспечивает наименьшую интерференцию и спектр, весьма похожий на спектр «белого шума». Обработка OFDM обычно происходит с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) и инверсного БПФ, что приводит к усложнению схем декодирования по сравнению с более простым типом модуляции.

Применяется OFDM в современных системах наземного цифрового ТВ-вещания (DTTV) в диапазонах ОВЧ/УВЧ.

Data mux — мультиплексор входных данных

Channel — частотный канал

BPSK — блок фазовой модуляции

Sum — сумматор частотных каналов Рисунок 1.5 — Схема OFDM-модуляции (16 независимых каналов по 0,68 кбит/с = 10 Мбит/с)

1.2 Сравнительный анализ способов кодирования — декодирования информации Сделаем сравнительный анализ рассмотренных выше способов модуляции и выберем подходящий.

Прежде всего определимся с требованиями к способу приёма/передачи сигнала. В нашем случае сигнал передается по радиоканалу. При этом требования к высоким скоростям, как в случае передачи по телефонной линии, отсутствуют .

Также, в отличие от передачи по телефонной линии, отсутствует понятие дуплексной связи. Исходя из этого будем выбирать наиболее простой и проверенный способ. Так называемые, переспективные способы модуляции, OCDM и OFDM не подходят, т.к. работают с широкополосными сигналами и слишком сложны в исполнении. Импульсно-кодовая модуляция также не подходит т.к. напра-влена на работу с цифровыми линиями. Среди таких видов модуляции как, фазовая, амплитудно-фазовая и частотная, наиболее подходящей является частотная модуляция. Частотная модуляция (FSK) обычно используется при приёме-передаче не требующей высоких скоростей, проста в реализации. Очень часто FSK используется в судовом телеграфе, а т. к наше устройство в принципе предназначено для установки на судах дальнего плавания, то при согласовании с телеграфом можно будет принимать сообщения прямо на ЭВМ. Вывод: выбираем частотную модуляцию.

1.3 Анализ аппаратной реализации Аппаратная реализация устройства кодирования-декодирования информации может быть очень различной.

1) Приведем структурную схему аппаратного способа реализации устройства кодирования-декодирования использующего частотную модуляцию.

Рисунок 1.6 — Структурная схема передатчика.

Рисунок 1.7 — Структурная схема приёмника.

Описание работы.

При передаче от ЭВМ цифрового кода генераторы G1 и G2, заполняют сигнал, синусоидами с разными частотами, соответ-ствующими «1» и «0», т. е. первоначальный сигнал моделируется.

При приёме, полосовые фильтры Ф1 и Ф2 настроенные на полосы частот «1» и «0» формируют соответствующий цифровой код, крутые фронты которого создаются с помощью пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2. После чего происходит определение какой из кодов пришел и передача его в ЭВМ.

2) Рассмотрим следующую блок — схему устройства кодирования-декодирования информации.

В наше время все большую популярность получают устройства кодирования-декодирования информации с использованием цифровых сигнальных процессоров.

Приведем в пример устройство выпускаемое фирмой Analog Devices называемое SHARC EZ-Kit. Это устройство является универсальным комплексом по решению различных задач обработки сигналов, в том числе и задач кодирования и декодирования информации. На рис. 1.8 представленна блок-схема данного комплекса.

Рисунок 1.8 — Блок — схема комплекса SHARC EZ-Kit

Аналогов таких устройств существует большое количество, отличающихся типом DSP, кодека, элементной базой и т. п., но принцип у всех один — универсальность. Основной алгоритм работы устройства обеспечивается программным образом без вмешательства в аппаратную часть.

SHARC EZ-KIT Lite состоит из небольшой демонстрационной платы на основе процессора ADSP-21 061, работающего на тактовой частоте 160 МГц. Кроме процессора плата содержит 16-битный звуковой стереокодек AD1847, контроллер интерфейса RS-232 и микросхему EPROM, установленную в кроватку. Внешние порты и различные управляющие сигналы процессора не использованные на самой плате выведены на контакты разъемов расширения (сами разъемы не установлены для упрощения платы). Таким образом, плата может использоваться как прототип устройства, если подключить ее к необходимым внешним модулям. Для удобства отладки на плате установлены три кнопки — сброс, прерывание, флаг и четыре раздельно управляемых светодиода. Кодек связан с процессором через один из последовательных портов, второй порт оставлен свободным. Предусмотрен также JTEG порт, предназначенный для подключения переходника внутрисхемного эмулятора EZ-ICE. Сам эмулятор в комплект поставки не входит и может быть приобретен отдельно.

Такие устройства достаточно дорогие в финансовом плане, но там где необходима высокая точность и быстродействие, они себя окупают. Например, данное уствойство SHARC EZ-Kit стоит на фирме Analog Devices — 220 $.

1.4 Сравнительный анализ способов аппаратной реализации В ходе анализа аппаратной реализации было рассмотренно два способа: первый без использования цифрового сигнального процессора, второй с его использованием.

Т.к. проектируемое устройство планируется использовать на судах дальнего плавания, то оно должно обладать высокой степенью точности, надежности и быстродействия. Все это можно реализовать только с использованием современных процессоров цифровой обработки сигналов. Исходя из этого, мы выбираем второй пример аппаратной реализации рассмотренный в предыдущем разделе. Конечно, наше устройство не будет похоже SHARC EZ-Kit, но принцип и технология останутся теми же.

1.5 Выводы по аналитическому обзору После проведения аналитического обзора и сравнительного анализа было решено, что :

устройство кодирования-декодирования информации будем выполнять с использованием цифрового сигнального процессора;

весь алгоритм модуляции-демодуляции, передачи в порт ЭВМ, приёма из порта и т. п. выполняется программно под соответствующий DSP;

в качестве способа модуляции выбран метод частотной модуляции.

2. Разработка структурной схемы устройства Составлять структурную схему устройства будем из основных функциональных блоков входящих в устройство.

Рисунок 2.1 — Структурная схема устройства Описание структурной схемы:

Аналоговый вход На вход устройства подается принятый по радиоканалу сигнал. Приемник сигнала из радиоканала нами рассматриваться не будет, но о наличие такового мы будем помнить. После попадания на вход устройства сигнал направляется в аналогово-цифровой кодер-декодер (кодек).

Кодек:

После фильтра низких частот сигнал поступает на кодер-декодер.

Кодек — это высокоскоростной чип, со встроенными аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователями, последовательным портом, программируемым интервальным таймером, регистрами и т. п.

Кодек имеет определенную разрядность цифровых данных передаваемых по его последовательному порту. Разрядность должна совпадать с разрядностью DSP, а также частота дискретизации по теореме Котельникова, должна быть в два раза больше частоты сигнала.

Т.к. используется частотная модуляция и частота «1» = 1615 Hz и «0» = 1785 Hz. то, вполне достаточно выбрать 16-ти разрядный кодек, с частатой дискретизации 8 kHz.

Рассмотрим принципы АЦП и ЦАП преоразования, которые также используются в кодеке.

Физические сигналы являются непрерывными функциями времени. Чтобы преобразовать непрерывный, в частности, аналоговый сигнал в цифровую форму используются аналого-цифровые пребразователи (АЦП). Процедуру аналого-цифрового преобразования сигнала обычно представляют в виде последовательности трех операций: дискретизации, квантования и кодирования. Однако, если придерживаться терминологии принятой в литературе по системам цифровой связи, то первая операция, дискретизация, соответствует модуляции сигнала, а вторая операция, квантование, есть ни что иное, как один из cпособов кодирования. Поэтому процедуру аналого-цифрового преобразования сигнала можно также представить в виде последовательности двух операций — модуляции и кодирования.

Операция дискретизации заключается в определении выборки моментов времени измерения сигнала. Операция квантования состоит в считывании значений координаты сигнала в выбранные моменты измерения с заданным уровнем точности, а операция кодирования — в преобразовании полученных измерений сигнала в соответствующие значения некоторого цифрового кода или кодовой комбинации, которые затем передаются по каналам связи.

Процедуру восстановления непрерывного сигнала из цифрового представления также можно представить в виде двух операций: декодирования и демодуляции. Операция декодирования выполняет операцию обратную операции кодирования, т. е. преобразует последовательность заданных значений кодовой комбинации (кодовых слов) в последовательность измерений, следующих друг за другом через заданные интервалы времени дискретизации. Операция демодуляции выполняет интерполяцию или восстановление непрерывного сигнала по его измерениям. Преобразование сигнала из цифровой формы в непрерывный сигнал осуществляется цифро-аналоговыми пребразователями (ЦАП).

Итак, после поступления аналогового сигнала, кодек преобразует его в цифровой код, который по последовательному порту передается в цифровой сигнальный процессор (DSP), где по определенному алгоритму преобразуется и передается в ЭВМ.

При приеме цифрового кода от DSP, по своему последовательному порту, кодек преобразует его в аналоговый сигнал и передает на выход, где сигнал поступает на передатчик по радиоканалу (который не входит в наше устройство) и передается на другое такое же устройство.

Инициализация и настройка работы кодека, также как в DSP, осуществляется программно, что намного упрощает его точную настройку.

Цифровой сигнальный процессор (ЦСП или DSP):

Главной частью нашего устройства кодирования — декодирования информации является цифровой сигнальный процессор (digital signal processor, DSP).

Цифровые сигнальные процессоры обладают огромными возможностями по цифровой обработке сигналов: спектральный анализ, цифровая фильтрация, преобразование частоты дискретизации, подстройка в реальном времени скорости воспроизведения и т. п.

3. Разработка схемы электрической принципиальной

3.1 Выбор цифрового сигнального процессора Цифровой сигнальный процессор (DSP) — является основой нашего устройства. Алгоритм кодирования — декодирования информации, прием и передача сигнала из ЭВМ и обратно, выполняются с помощью DSP.

Существует много различных фирм — производителей DSP: Texas Instruments, Analog Devices, Motorola, Philips и т. п. Реализацию нашего устройства можно выполнить практически с помощью DSP любой из перечисленных фирм. Рассмотрим цифровые сигнальные процессоры фирмы Analog Devices, и в частности сигнальный процессор ADSP — 2181.

Процессор ADSP-2181, является развитием семейства ADSP-21xx, 16-разрядных сигнальных процессоров DSP фирмы Analog Devices с фикси-рованной точкой. В ADSP-2181 используется базовая архитектура ядра этого семейства. ADSP-2181 обладает полным объемом внутренней памяти адресуемой на кристалле, расширенным набором внутренних периферийных устройств, высокой производительностью.

Краткая характеристика ADSP — 2181:

* 16 К x 24 бит внутренней памяти программ PM (Program Memory)

* 16 К x 16 бит внутренней памяти данных DM (Data Memory)

* 2 программируемых скоростных последовательных порта

* интервальный таймер

* 16-битный порт прямого доступа к внутренней памяти IDMA (Internal Direct Memory Access)

* 8-битный порт прямого доступа к внешней байтовой памяти BDMA (Byte Direct Memory Access) объемом до 4 Мбайт

* адресное пространство устройств ввода/вывода (2048 адресов)

* 4 сегмента по 8 К слов внешней оверлейной памяти

* внешние прерывания и программируемые выводы флагов

* режим пониженного энергопотребления (Pпот.< 1 мВт)

* расширенный набор инструкций

* производительность — 33.33 MIPS

* отдельный порт внутрисхемной эмуляции Рис. 3.1.1. Графическое изображение цифрового сигнального процессора ADSP — 2181

Дополнительные сведения о процессоре ADSP — 2181.

Тип обратываемых данных — с фиксированной точкой.

Тактовая частота — 16,67 MHz.

Время одного командного цикла — 30 nS.

Последовательный порт — 2

Параллельный порт — 2 (1(IDMA) — 8-битный или 16-битный, 1 — 24-битный) Напряжение питания — 3V, 5V.

Рассмотрим назначение выводов и принцип работы процессора:

D0 … D23 — 24-разрядная шина данных. Используется совместно с шиной адреса для загрузки программы из внешней памяти в DSP.

A0 … A13 — 14-разрядная шина адреса.

Память программ: ADSP-2181 содержит 16Kx24 ОЗУ программ на кристалле. Память программ позволяет выполнять до двух обращений в каждом цикле, тогда все операции могут завершаться за один цикл.

Память данных: ADSP-2181 имеет 16,352 16-разрядных слова внутренней памяти данных.

Пространство байтовой памяти — двунаправленное, 8-разрядное, внешнее пространство памяти, используемое для хранения программ и данных. Доступ к байтовой памяти осуществляется через BDMA. Пространство байтовой памяти состоит из 256 страниц, каждая из которых имеет размер 16К x 8. Это позволяет использовать до 4 М x 8 (32 мегабит) ПЗУ или ОЗУ без дополнительной логики. Все обращения к байтовой памяти имеют временные параметры, определяемые регистром BMWAIT.

Контроллер прямого доступа в байтовую память (BDMA) позволяет осуществлять загрузку и сохранение команд программы и данных, используя пространство байтовой памяти. Схема BDMA способна обращаться к пространству байтовой памяти в то время, как процессор работает и захватывает только один цикл DSP для перемещения 8-, 16- или 24-разрядного слова.

IAD0 … IAD15 — 16-ти разрядная мультиплексированная шина данных/адреса порта IDMA.

Порт прямого доступа к внутренней памяти (IDMA) процессора ADSP-2181 является одним из новых устройств, существенно упрощающих построение интерфейса с HOST-процессором.

Рис. 3.1.2. Интерфейс работы порта IDMA с HOST-процессором.

Четыре входа управления IDMA предназначены для:

IS — выбор порта;

IAL — запись адреса ячейки памяти;

IRD — чтения данных через порт;

IWR — запись данных ;

IACK — Сигнал подтверждения доступа. Определяет завершение операций чтения/записи и готовность IDMA к следующей операции.

BMODE и MMAP

Выводы процессора BMODE и MMAP определяют режим загрузки и распределение (карту) памяти DSP. Для загрузки через внешнюю память BMODE=0 и MMAP=0. Загрузка состоит из следующих операций:

* Сброс процессора сигналом RESET

* Загрузка в Programm Memory и Data Memory кодов программы и данных, исключая ячейку PM (0×0000).

* Запись слова в ячейку PM (0×0000) для запуска загруженной программы.

IRQ2, IRQL1, IRQL0 и IRQE. TFS1/IRQ1, RFS1/IRQ0.

Аппаратные входы прерываний. При подаче на них низкого уровня сигнала управление передается соответствующей подпрограмме Таблица 3.1 — Таблица прерываний.

RESET — при получении низкого уровня сигнала передается управление подпрограмме инициализации DSP. При этом происходит повторная загрузка программы из внешней памяти в DSP.

PWD — (power down) отключение питания.

XTAL, CLKIN — на них подается тактовая частота от кварца. В нашем случае 16,67 MHz.

PMS, IOMS,

BMS, DMS, CMS — Данные выводы служат для подключения и управления оверлейной памятью.

Конфигурация оверлейной памяти задается установкой управляющего сигнала CMS в регистре программируемых флагов и составного сигнала управления (Programmable Flag and Composite Select Control). Также можно использовать оверлейную память, как память данных.

Так как шина адреса ADSP-2181 имеет только четырнадцать разрядов, то для расширения адресного пространства оверлейной памяти используются флаги FL0, FL1, а также FL2 или PMS в зависимости от требуемой конфигурации.

Рисунок 3.3 Системный интерфейс ADSP 2181

Выбранный нами цифровой сигнальный процессор ADSP — 2181 способен выполнять следующие действия:

Это полностью удовлетворяет нашим требованиям, для обеспечения требуемой модуляции и реализации метода кодирования NBDP. А также фирма Analog Devices поставляет со своими процессорами мощные программные продукты для отладки и записи программ в DSP, что делает данный цифровой сигнальный процессор еще более приемлемым для нас.

3.2 Выбор кодека Как было видно из пункта 3.1, цифровой сигнальный процессор не занимается преобразованием аналогового сигнала в цифровой и наоборот, это делают АЦП и ЦАП. Вот таким комбинированным АЦП/ЦАП являются микросхемы CODEC.

Их как и DSP существует большое количество, но мы также остановимся на микросхемах фирмы Analog Devices. Т.к. в роли цифрового сигнального процессора нами выбран ADSP 2181, то выбираем звуковой кодек AD1847 с последовательным цифровым интерфейсом совместимым с ADSP 21xx.

Рисунок 3.4 — Графическое изображение Codec AD1847

Параметры AD1847:

Тип сигнала — моно/стерео ПреобразованиеАЦП / ЦАП Напряжение питания- + 5 V

Диапазон выходных частот- 20 Hz … 20 kHz

Наличие фильтров: цифровой фильтр;

аналоговый фильтр НЧ;

Максимальная тактовая частота- 27 MHz

Аналоговый вход- 2

Вспомагательный аналоговый вход — 1

Аналоговый выход — 1

Рассмотрим назначение выводов и принцип работы кодека:

VCC — питание + 5 V. Источник питания тот же, что и ADSP — 2181.

GND — земля.

GNA — земля аналогового сигнала

SCLK — тактовый генератор последовательной передачи данных. (значение зависит от XTAL1, XTAL2) при установленном XTAL1 значение будет 12,288 MHz, при XTAL2 11,2896 MHz.

SDFS — синхронизация последовательных данных.

SDI, SDO — прием и передача данных из последовательного порта DSP. (Serial Data Input и Serial Data Output). Обмен данными может осуществляться как с DSP, так и любым HOST — процессором. Размер даных — 16 бит.

RST — при установке низкого уровня, происходит инициализация всех регистров начальными значениями. (RESET)

PWD — также установке низкого уровня, происходит инициализация всех регистров начальными значениями и перевод чипа в режим пониженного энергопотребления, при котором Vref и аналоговые выводы земли — отключены.

BM — при наличии на этот выводе высокого уровня сигнала, на шине устанавливается сигнал MASTER, и происходит передача данных в DSP по порту RXD0. В случае низкого уровня сигнала на шине устанавливается сигнал SLAVE, и происходит прием данных от DSP по порту TXD0.

CLKO — (clock output) выход тактового генератора. Значение зависит от XTAL1, XTAL2: при установленном XTAL1 значение будет 12,288 MHz, при XTAL2 16,9344 MHz.

Аналоговые выводы приема/передачи

LI1L — линейный вход 1 для левого канала

LI1R — линейный вход 1 для правого канала

LI2L — линейный вход 2 для левого канала

LI2R — линейный вход 2 для правого канала

AI1L — вспомагательный вход 1 для левого канала

AI1R — вспомагательный вход 1 для правого канала

AI2L — вспомагательный вход 2 для левого канала

AI2R — вспомагательный вход 2 для правого канала

LOL — линейный выход для левого канала

LOR — линейный выход для правого канала

X2O, X2I — от кварцевого резонатора 16,9344 MHz.

X1O, X1I — от кварцевого резонатора 24,576 MHz.

Исходя из этого выбираем кварцевый резонатор X2 с частатой 16, 9344 MHz, а X3 с частатой 24, 576 MHz.

Выбранные кварцевые резонаторы включаются по стандартной схеме с двумя параллельными конденсаторами по 18 pF.

Конденсаторы C31, C32, C36, C37 выбираем емкостью 18 pF.

FLTL — левый канал фильтра. Используется для подключения стандартного конденсатора 1 мкФ.

FLTR — правый канал фильтра. Используется для подключения стандартного конденсатора 1 мкФ.

Исходя из этого выбираем конденсаторы C40 и C41 емкостью 1 мкФ.

VRO — внешнее опорное напряжение. Величина 2,25 V. Запрещается подключение к данному выводу какой — либо нагрузки

VRI — внутренее опорное напряжение.

Рисунок 3.5 — Схема включения опорного напряжения Из схемы включения видно, что выходное опорное напряжение используется для аналоговых сигналов. Исходя из данной стандартной схемы включения конденсаторы C46 и C47 выбираем емкостью 10 мкФ, а конденсатор C45 = 0.1 мкФ.

Рисунок 3.6 — Функциональная блок — схема кодека AD1847

В данном разделе были рассмотрены функции кодека ADSP 2181, назначения выводов и принцип работы. Также были выбраны все необходимые элементы для стандартной схемы включения.

Выбраный кодек поностью совместим с ADSP 2181, имеет 16-ти разрядный последовательный порт, чего вполне достаточно для реализации нашего устройства кодирования — декодирования информации.

Практически все рассмотренные функции данного кодека необходимы для реализации нашего устройства и будут задействованы.

3.3 Выбор драйвера интерфейса RS — 232

Драйверы интерфейса RS — 232 служат для согласования с host — компьютером использующим уровни сигнала RS — 232 и асинхронный последовательный порт.

Выбираем драйвер интерфейса RS — 232 фирмы Analog Devices ADM232A.

Рисунок 3.7 — Графическое изображение драйвера RS — 232 ADM232A

Основные параметры:

Скорость передачи — 200 kB/s.

Напряжение питания — 5 V.

2 TTL/CMOS входа (выхода) (от DSP)

2 RS — 232 входа (выхода) (от ЭВМ)

Выходной уровень сигнала — + 9 V (на ЭВМ)

Входной уровень сигнала — + 30 V (от ЭВМ)

Корпус DIP 16.

Совпадение по выводам с MAX232A.

Диапазон рабочих температур: -40 ⁰C … +85 ⁰C

Назначение выводов AD232A:

V+ - внутренняя генерация позитивного напряжения (+10 V)

V- - внутренняя генерация негативного напряжения (-10 V)

С1+ - подключение внешнего конденсатора 1 номиналом 0.1 мкФ (плюсом к этому выводу) С1- - подключение внешнего конденсатора 1 номиналом 0.1 мкФ (минусом к этому выводу) С2+ - подключение внешнего конденсатора 2 номиналом 0.1 мкФ (плюсом к этому выводу) С2- - подключение внешнего конденсатора 2 номиналом 0.1 мкФ (минусом к этому выводу)

TR1IN — первый вход сигнала с TTL/CMOS уровнем от DSP. Внутри микросхемы находится резистор номиналом 400 кОм подключаемый к данному выводу и соединенный с Ucc = + 5 V.

TR2IN — второй вход сигнала с TTL/CMOS уровнем от DSP. Внутри микросхемы находится резистор номиналом 400 кОм подключаемый к данному выводу и соединенный с Ucc = + 5 V.

TR1OUT — первый выход сигнала с уровнем для интерфейса RS — 232. (уровень + 9 V).

TR2OUT — второй выход сигнала с уровнем для интерфейса RS — 232. (уровень + 9 V).

RC1IN — первый вход сигнала с уровнем от интерфейса RS — 232 из host — компьютера (ЭВМ). Внутри микросхемы находится резистор номиналом 5 кОм подключаемый к данному выводу и соединенный с землей.

RC2IN — второй вход сигнала с уровнем от интерфейса RS — 232 из host — компьютера (ЭВМ). Внутри микросхемы находится резистор номиналом 5 кОм подключаемый к данному выводу и соединенный с землей.

RC1OUT — первый выход сигнала с уровнем TTL/CMOS образованным из сигнала поступившего по интерфейсу RS — 232 из host — компьютера (ЭВМ).

RC2OUT — второй выход сигнала с уровнем TTL/CMOS образованным из сигнала поступившего по интерфейсу RS — 232 из host — компьютера (ЭВМ).

Рисунок 3.8 Функциональная блок — схема драйвера ADM232A

Рисунок 3.9 — Схема включения драйвера интерфейса RS — 232 AD232A

Исходя из данной стандартной схемы включения выбираем конденсаторы C25, C26,C27,C28 номиналом 0.1 мкФ.

Рассмотренный драйвер интерфейса RS-232 способен обеспечивать высокое быстродействие при работе с последовательным портом, что в нашем устройстве, которое оснащено скоростным DSP, очень важно, а также способен работать с сигналами ТТЛ-уровня, которые используются нашим DSP. Следовательно данный драйвер полностью подходит для обеспечения связи по последовательному порту с ЭВМ.

3.4 Выбор памяти с ультрафиолетовым стиранием (EPROM)

Микросхема памяти с ультрафиолетовым стиранием необходима в нашем устройстве для хранения в ней программы под цифровой сигнальный процессор, которая и будет реализовывать алгоритм кодирования — декодирования.

ADSP -2181 способен работать не более, чем с 4 Мб внешней памяти.

Рассмотрим микросхемы памяти серии AM27Cxxx:

Таблица 3.1 — Объем памяти EPROM серии AM27Cxxx.

Т.к. выбранный нами цифровой сигнальный процессор

ADSP-2181 имеет расширенную систему команду, по сравнению со своими предшественниками, и хранит в памяти большое количество оперативной информации (стек, регистры, указатели и т. п.), то только для его нормальной работы необходим большой объем памяти.

А так как кроме того, мы проектируем большую программу по кодированию-декодированию информации, инициализации DSP и кодека, а также организации способа частотной модуляции, то дополнительно к этому нам еще требуется не менее 500 Kb.

Итого вобщем необходимо не менее 600 Kb.

Выбираем микросхему с максимальным объёмом памяти 1 Мб AM27C080.

Рисунок 3.10 — Графическое изображение EPROM AM27C080.

3.5 Выбор вспомагательных элементов схемы Схема питания устройства:

На наше устройство должно подаваться питание от 8 до 10 вольт (берется из набора стандартных питаний на судах дальнего плавания).

Микросхемы нашего устройства питаются от +5 V. Для этого выбираем регулятор напряжения LM7805, на вход которого подается напряжение от 8 до 10 V, а на выходе получается +5V. Ниже представлена схема подачи питания и стандартная схема включения микросхемы LM7805.

Рисунок 3.11 — Схема подачи питания.

Для обеспечения защиты от перемены полярности на входе, устанавливаем диод D1. В качестве его выбираем КД522А.

Конденсаторы С14 и С15 выбираем изходя из стандартной схемы включения равными 0.33 мкФ и 10 мкФ соответственно.

Резистор R18 = 100 kOm.

Рассмотрим характеристики выбранного регулятора напряжения LM7805:

Выходные напряжения: 5, 6, 8, 12, 15, 18, 24 V

Входные напряжения: 8−10, 17−19, 21−23 V

Рабочие температуры: 0 … +125 ⁰C

Рисунок 3.12 — График зависимости выходного напряжения от входного микросхемы LM7805.

Прочие элементы:

Для обеспечения фильтра по питанию каждой микросхемы выбираем соответствующее количеству выводов питания количество конденсаторов емкостью 0.1 мкФ: C4, C5, C6, C7, C8, C22, C23, C24, C25, C26, C27, C30, C33.

Также выбираем резисторы подтяжки от питания к выводам микросхем равными 10 кОм: R4, R6, R7, R8, R9.

Прочие элементы входят в стандартные схемами включения микросхем и их номиналы указаны в перечне элементов.

4. Разработка алгоритма программы

4.1 Блок инициализации В состав нашего устройства входят программируемые микросхемы DSP и Codec. Для каждой из них необходимо выполнить инициализацию внутренних переменных, регистров и флагов. Также, как рассматривалось в главе 2, наше устройство работает с внешних host-компьютером — терминалом и для начала работы необходимо дать ему команду инициализации. Для начала работы с терминалом, также необходимо инициализировать переменные и регистры используемые интерфейсом приема/передачи данных. Как было рассмотренно в главе 2, для кодирования информации используется структура судового телеграфа NBDP (narrowband printing) узкополосное буквопечатанье. Для инициализации данной структуры используется таблица соответствия букв и цифр определенной комбинации 1 и 0.

Рисунок 4.1. — Блок инициализации.

4.2 Интерфейс приема / передачи Для организации работы с терминалом используется набор команд передаваемых по последовательному порту компьютера. Программа под терминал нами рассматриваться не будет, но связь с ней с помощью нашего устройства будет показана и использованна.

При появлении в host-компьютере данных которые требуется принять, терминал дает запрос на передачу. Также при появлении данных в нашем устройстве, которые требуется передать, в терминал посылается запрос на прием терминалом данных. В случае если терминал готов принять наши данные, устанавливается флаг готовности передачи в терминал. Если же наше устройство готово принять данные от терминала, то также устанавливаеися флаг готовности приема от терминала.

Рисунок 4.2. — Блок — схема запроса на прием / передачу от терминала Далее, в случае установки флагов приема / передачи, выполняется соответственно прием или передача данных.

При приеме данных от терминала происходит кодирование их по алгоритму NBDP и модулирование, используя частотную модуляцию (1 — 1615 Hz, 0 — 1785 Hz) с последующей передачей на кодек и далее после цифро-аналогового преобразования на выход.

Рисунок 4.3. — Блок — схема приема данных от терминала При передаче данных в терминала происходит демодуляция поступивших данных, раскодирование их по алгоритму NBDP и перевод в формат ASCII с последующей передачей по последовательному порту в терминал.

Рисунок 4.4. — Блок — схема передачи данных в терминал.

Далее после окончания приема или передачи данных, в терминал передается команда «устройство свободно», что разрешает дальнейшие запросы на обмен данными.

Перезагрузка программы в память и инициализация происходят при нажатии кнопки RESET.

Полная блок-схема алгоритма предоставленна в приложении.

Данный алгоритм представляет собой общий принцип работы программы. Более конкретная его реализация с учетом особенностей выбранной технологической базы будет рассмотренна в следующей главе.

5. Разработка программного обеспечения Программное обеспечение будет разрабатываться для цифровго сигнального процессора фирмы Analog Devices ADSP -2181. Для этого будем использовать программное обеспечение фирмы Analog Devices, позволяющее создавать и тестировать программы под DSP.

Разработку программного обеспечения будем производить на языке ассемблер под ADSP — 2181 и Си. Язык Си напрямую не поддерживается DSP, но в комплекте программ фирмы Analog Devices имеется конвертер программ написанных на языке Си, в формат машинных кодов DSP. Также есть возможность создания проектов включающих программы написанные под DSP и под Си, и ссылаться на функции друг друга с помощью EXTERNAL (внешних) процедур и переменных.

Будем использовать следующее программное обеспечение для создания нашей программы:

Assembler — компоновщик ассемблерных программ *.dsp в *.obj

Linker — компилятор в код DSP

ADSP-2181 Simulator — эмулятор ADSP — 2181

Minitor — программа для записи программы в DSP

C Compiler — компилятор языка Си

C Runtime Libraries — библиотеки языка Си

C Debugger — отладчик для программ на Си

Cconverter — конвертер программ на Си в код DSP

Разработка программного кода находится в приложении 1.

6. Технико-экономический расчет

В данном дипломном проекте разработано устройство кодирования — декодирования информации на цифровом сигнальном процессоре. Наше устройство выполняет функции радиомодема и использует частотную модуляцию по протоколу обмена данными морского телеграфа. Эта система является конструктивно законченным устройством, поэтому целесообразно рассчитать затраты на расходные материалы и производство устройства, а также рассчитать срок окупаемости предложенной системы.

6.1 Расчёт трудоёмкости выполнения опытно-конструкторской работы

В технологии ОКР сочетаются работы по разработке необходимого комплекта конструкторской документации и работы по изготовлению, отладке и испытаниям опытного образца.

Для определения трудоёмкости разработки комплекта КД используем перечень документов, разрабатываемых в курсовой работе и типовые нормы времени на разработку конструкторской документации. Кроме этого, учитываем затраты времени на участие в испытании и отладке опытного образца и корректировку технической документации после испытания опытного образца.

Трудоёмкость разработки конструкторских документов рассчитываем по формулам:

Где t _pi, t _kki t _тki, t _нki — соответственно нормы времени на разработку, конструкторский контроль, технологический контроль и нормоконтроль КД i-го наименования.

t _нрi, 0.7, 0.2, 0.15(0.2) — типовые нормы времени на разработку, конструкторский и технологический контроли, нормоконтроль единицы объёма КД i-го наименования;

К_фi — поправочный коэффициент к норме времени в зависимости от фактического формата КД i-го наименования;

К_с — поправочный коэффициент к норме времени в зависимости от типа производства (1,0 — единичное; 1,1 — серийное; 1,2 — массовое);

К_мi — поправочный коэффициент к норме времени в зависимости от масштаба исполнения КД i-го наименования;

К_аi — поправочный коэффициент к норме времени на разработку КД ЭА, не имеющей аналога.

Трудоёмкость разработки печатной платы рассчитываем по формуле:

Где Nколичество функциональных узлов на печатной плате.

Расчёт трудоёмкости разработки конструкторской документации выполняется по форме, приведенной в таблице 6.1.1.

Таблица 6.1.1−1 — Расчёт трудоёмкости КПП

Таблица 6.1.1 — 2 — Расчёт трудоёмкости КПП

Трудоёмкость разработки комплекта КД и загрузка исполнителей в рабочих днях определяется по формуле:

Тр.д.=ti / 8, Т_к.д.=Т_р.д./0,73

Где ti — суммарная трудоёмкость в часах;

— продолжительность рабочего дня в часах;

0,73 — коэффициент перевода в календарные дни.

По каждому виду конструкторской документации определяется квалификационный уровень исполнителей.

Распределение работ и расчёт загрузки исполнителей производится по форме, приведенной в таблице 6.1.2.

Таблица 6.1.2 — Расчёт загрузки исполнителей

6.2. Определение цены научно-технической продукции Цена научно-технической продукции (выполнения ОКР) определяется по формуле:

Ц_окр=С_пл+П_пл+НДС Ц_окр= 1257,5+377,25+326,95=1961,7 грн Где Спл — плановая себестоимость выполнения ОКР;

Ппл — плановая прибыль:

П_пл=0.3С_пл

П_пл=0.3*1257,5=377,25 грн Где 0.3 — норматив, учитывающий предельный уровень рентабельности, который установлен действующим законодательством для научно-технической продукции.